Катализ в технологии органических веществ

1. Цели освоения дисциплины
Таблица 1– Цели дисциплины и их соответствие целям ООП
Код
цели
Ц1
Ц3
Ц4
Ц5
Цели освоения дисциплины
«Катализ в технологии органических
веществ»
Формирование базы теоретических
знаний и практических навыков в
области катализа процессов органического синтеза.
Формирование творческого мышления, способности ставить и решать
задачи производственного и научного характера, связанные с разработкой инновационных методов создания химико-технологических процессов, веществ и материалов, оборудования.
Формирование способности сравнительного анализа существующих и
разрабатываемых
каталитических
технологий, выбора наиболее рациональной технологической схемы
синтеза, учитывая принципы энергосбережения и рационального использования сырья в химической технологии.
Формирование навыков самостоятельной постановки и проведения
теоретических и экспериментальных
физико-химических исследований,
мотиваций к самообучению и непрерывному профессиональному самосовершенствованию.
Цели ООП
Подготовка выпускников к производственно-технологической деятельности в области химических
технологий, конкурентоспособных
на мировом рынке химических технологий.
Подготовка выпускников к проектно-конструкторской деятельности
в области химических технологий,
конкурентоспособных на мировом
рынке химических технологий.
Подготовка выпускников к научным
исследованиям для решения задач,
связанных с разработкой инновационных методов создания химикотехнологических процессов, веществ и материалов
Подготовка выпускников к самообучению и непрерывному профессиональному самосовершенствованию
2. Место дисциплины в структуре ООП
Согласно ОС и ООП «Химическая технология» дисциплина «Катализ в технологии органических веществ» относится к профессиональному циклу и является дисциплиной вариативной части профиля «Химическая технология органических веществ» специального модуля Б1.В.2. Код дисциплины по учебному плану: Б1.В.2.6.
Код дисциплины
Наименование дисциплины
Кредиты
Форма
ООП
контроля
Модуль Б1.В (вариативная часть)
2
Б1.В.2 "Химическая технология органических веществ"
Б1.ВМ5.2.6
Катализ в технологии органических
6
веществ
Экзамен
Дисциплине «Катализ в технологии органических веществ» предшествует
освоение дисциплин (ПРЕРЕКВИЗИТЫ):
Код дисциплины
Наименование дисциплины
Кредиты
Форма
ООП
контроля
Модуль Б1.В (вариативная часть)
Б1.ВМ5.2.1
Технология переработки углеводородно4
Экзамен
го сырья
Б1.ВМ5.2.2
3
Зачет
Промышленная органическая химия
Б1.ВМ5.2.3
Теория химико-технологических про6
Экзамен
цессов органического синтеза
Б1.ВМ5.2.4
Химия и технология органических ве6
Экзамен
ществ. Часть 1
При изучении указанных дисциплин (пререквизитов) формируются «входные»
знания, умения, опыт и компетенции, необходимые для успешного освоения дисциплины «Катализ в технологии органических веществ».
В результате освоения дисциплин (пререквизитов) студент должен:
Знать:
 основные научные и технические проблемы химической технологии органических веществ;
 основные мировые достижения в области химической технологии органических веществ;
 основные требования и стандарты к технологическому уровню химического
производства, качеству выпускаемых продуктов и охране окружающей среды.
Уметь:
 проводить анализ методов и технологий получения, очистки и выделения
основных и побочных продуктов органического синтеза.
Владеть:
 методами теоретического и экспериментального исследования процессов
химической технологии.
В результате освоения дисциплин (пререквизитов) обучаемый должен обладать
следующими профессиональными компетенциями:
 способностью и готовностью совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, получать знания в области современных проблем науки, техники и технологии, гуманитарных, социальных и экономических наук
(ОК-1);
 способностью и готовностью к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов в соответствии с направлением и профилем подготовки (ПК-1);
 к поиску обработке, анализу и систематизации научно-технической информации по теме исследования, выбору методик и средств решения задачи (ПК-15).
3
Содержание разделов дисциплины «Катализ в технологии органических веществ» согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно
(КОРЕКВИЗИТЫ):
Код дисциплины
Наименование дисциплины
Кредиты
Форма
ООП
контроля
Модуль Б1.В (вариативная часть)
Б1.В.2.7
Химия и технология органических ве3
Экзамен
ществ. Часть 2
3. Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины «Катализ в технологии органических веществ» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2 − Планируемые результаты освоения дисциплины «Катализ в технологии органических веществ»
Результаты обучения
(компетенции из
ФГОС)
Составляющие результатов обучения
Код
Р5
З5.10(2)
Знания
Код
Умения
Код
намечать
пути
синтеза
новых
органических
веществ с заданзакономерности
ными свойствами,
кислотноиспользуя совреосновного, нукменные катализалеофильного,
торы и каталитиметаллокомческие системы;
плексного гомопроводить поиск
генного катализа У5.10(2)
В5.10(2)
и разработку ноорганических
вых более эффекреакций;
тивных путей
особенности
синтеза известмежфазного катаных веществ и
лиза
органичепрепаратов, исских реакций.
пользуя современные катализаторы и технологии.
Владение
опытом
каталитическими
методами синтеза
органических
веществ с заданной структурой и
свойствами
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины «Катализ в технологии органических веществ» направлено на формирование у студентов следующих
компетенций (результатов обучения), в т. ч. в соответствии с ФГОС:
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать:
 закономерности кислотно-основного, нуклеофильного, металлокомплексного
гомогенного катализа органических реакций;
 особенности межфазного катализа органических реакций.
Уметь:
4
 намечать пути синтеза новых органических веществ с заданными свойствами, используя современные катализаторы и каталитические системы;
 проводить поиск и разработку новых более эффективных путей синтеза известных веществ и препаратов, используя современные катализаторы и технологии.
Владеть:
 опытом синтеза органических веществ с использованием современных катализаторов и каталитических систем;
 опытом поиска и разработки новых более эффективных путей синтеза известных веществ и препаратов, используя современные катализаторы и технологии.
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:
1. Универсальные (общекультурные):
 на практике использовать умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ (ОК-4);
 самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых
областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-6).
2. Профессиональные:
общепрофессиональные:
 способностью и готовностью к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов в соответствии с направлением и профилем подготовки (ПК-1);
 понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны (ПК-4);
производственно-технологическая деятельность:
 оценивать эффективность и внедрять в производство новые технологии (ПК7);
научно-исследовательская деятельность:
 к поиску обработке, анализу и систематизации научно-технической информации по теме исследования, выбору методик и средств решения задачи (ПК-15);
планировать и проводить физические и химические эксперименты, проводить
обработку их результатов и оценивать погрешности, математически моделировать
физические и химические процессы и явления, выдвигать гипотезы и устанавливать
границы их применения (ПК-21);
проводить стандартные и сертификационные испытания материалов, изделий и
технологических процессов (ПК-22);
способен использовать знание свойств химических элементов, соединений и
материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности (ПК23);
использовать знания основных физических теорий для решения возникающих
физических задач, самостоятельного приобретения физических знаний, для понимания принципов работы приборов и устройств, в том числе выходящих за пределы
компетентности конкретного направления (ПК-24);
5
 изучать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный
опыт по тематике исследования (ПК-25);
проектная деятельность:
 к проведению патентных исследований, к обеспечению патентной чистоты
новых проектных решений и патентоспособности показателей технического уровня
проекта (ПК-18).
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Аннотированное содержание разделов дисциплины
4.1.1. Основные понятия и определения катализа органических реакций
Исторические аспекты развития катализа и изучения каталитических процессов. Понятия «катализ» и «катализаторы». Принцип действия катализаторов. Скорость химических реакций. Энергетический барьер. Энергетическая диаграмма каталитического процесса. Переходные состояния. Классификация каталитических процессов по химической природе катализатора: кислотно-основной катализ, металлокомплексный катализ, ферментативный катализ, органокатализ. Виды катализа: гомогенный и гетерогенный катализ, гетерогенно-гомогенный катализ, мицеллярный
катализ, межфазный, нанокатализ. Взаимосвязь механизмов каталитических процессов для гомогенных и гетерогенных катализаторов.
4.1.2. Кислотно-основной катализ органических реакций
Специфический и общий кислотно-основной катализ. Корреляционные соотношения между константами кислотности (основности) и константами скорости реакции для специфического и общего кислотно-основного катализа. Механизмы катализа протонными кислотами. Кислотный катализ апротонными кислотами (электрофильный катализ). Основной катализ. Основные типы основных катализаторов. Механизмы основного катализа. Нуклеофильный катализ. Механизм. Основные типы
нуклеофильных катализаторов. Прикладные реакции, катализируемые кислотами и
основаниями: алкилирование и сульфирование ароматических углеводородов; этерификация; переэтерификация; реакции по карбонильной группе; реакции изомеризации углеродного скелета в ряду предельных углеводородов; изомеризация ароматических углеводородов; перегруппировка Бекмана.
4.1.3. Металлокомплексный катализ органических реакций
Стадии и механизм металлокомплексного катализа. Комплексы переходных
металлов. Природа химической связи и координация молекул. Электронные и пространственные эффекты лигандов. Общее понятие о транс-цис-влиянии и трансэффекте. «сигма»-Донорные и «пи»-акцепторные свойства лигандов. Три типа реакций замещения лигандов в комплексах переходных металлов: диссоциативный, ассоциативный, синхронный. Механизм реакции гидроформилирования, катализируемой
комплексами переходных металлов. Наиболее распространенные катализаторы гидроформилирования. Катализируемые комплексами переходных металлов реакции
карбонилирования спиртов и галогенпроизводных. Окислительное карбонилирова-
6
ние (синтез акриловой кислоты и ее эфиров из этилена и оксида углерода). Гидрокарбоксилирование непредельных соединений. Реакции кросс-сочетания, катализируемые комплексами переходных металлов. Механизм реакции Хека. Механизм реакции
Сузуки. Типы используемых катализаторов. Механизм реакции гидрирования, катализируемой комплексами переходных металлов.
4.1.4. Межфазный катализ органических реакций
Понятие межфазного катализа. Типы межфазных катализаторов. Механизм
межфазного катализа «ониевыми» солями. Каталитический цикл Старкса. Взаимосвязь строения межфазных катализаторов и их активности. Ряд липофильности катионов. Экстракционная способность анионов. Практическое использование межфазного катализа в реакциях нуклеофильного замещения (обмен галогенов, получение нитрилов, сложных эфиров, тиолов и сульфидов); С-алкилирования активированных метиленовых групп.
4.2 Структура дисциплины
Структура дисциплины по разделам и видам учебной деятельности (лекция, лабораторная работа, практическое занятие, семинар, коллоквиум, курсовой проект и
др.) c указанием временного ресурса в часах приведена в табл. 4.
Таблица 4. − Структура дисциплины «Катализ в технологии органических веществ»
по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы
Аудиторная работа (час)
СРС
КР
Итого
(час)
(час)
Лекции
Практ.
Лабор.
занятия
занятия
1. Основные понятия и
5
1
12
18
определения катализа
органических реакций
2. Кислотно-основной
10
4
16
60
1
90
катализ органических
реакций
3. Металлокомплекс10
4
9
40
1
63
ный катализ органических реакций
8
27
4. Межфазный катализ
8
2
45
органических реакций
Всего
33
11
33
139
2
216
5. Образовательные технологии
Для достижения планируемых результатов обучения, в дисциплине «Катализ в
технологии органических веществ» используются различные образовательные технологии:
1. Информационно-развивающие технологии, направленные на овладение
большим запасом знаний, запоминание и свободное оперирование ими. Используется
7
лекционно-семинарский метод, самостоятельное изучение литературы, применение
новых информационных технологий для самостоятельного пополнения знаний,
включая использование технических и электронных средств информации.
2. Деятельностные практико-ориентированные технологии, направленные на
формирование системы профессиональных практических умений при проведении
экспериментальных исследований, обеспечивающих возможность качественно выполнять профессиональную деятельность.
3. Развивающие проблемно-ориентированные технологии, направленные на
формирование и развитие проблемного мышления, мыслительной активности, способности проблемно мыслить, видеть и формулировать проблемы, выбирать способы
и средства для их решения. Используются следующие виды проблемного обучения:
освещение основных проблем изучаемой дисциплины на лекциях, учебные дискуссии, решение задач повышенной сложности. Преподаватель лишь создает проблемную ситуацию, а разрешают её обучаемые в ходе самостоятельной деятельности.
4. Личностно-ориентированные технологии обучения, обеспечивающие в ходе
учебного процесса учет различных способностей обучаемых, создание необходимых
условий для развития их индивидуальных способностей, развитие активности личности в учебном процессе. Личностно-ориентированные технологии обучения реализуются в результате индивидуального общения преподавателя и студента на консультациях, при выполнении домашних индивидуальных заданий, подготовке индивидуальных отчетов по индивидуальным заданиям, решении задач.
Для целенаправленного и эффективного формирования запланированных компетенций у обучающихся, выбраны следующие сочетания форм организации учебного процесса и методов активизации образовательной деятельности, представленные в
табл. 5.
Таблица 5 − Методы и формы организации обучения (ФОО)
Методы активизации
ФОО
образовательной деяЛекции
Лаб. заняПракт.
тельности
тия
занятия
IT-методы
+
+
Работа в команде
+
Case-study
+
+
Методы
проблемного
+
обучения
Обучение на основе
+
+
опыта
Опережающая самостоятельная работа
Проектный метод
Поисковый метод
+
Исследовательский ме+
тод
8
СРС
+
+
+
+
+
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
6.1 Текущая самостоятельная работа (СРС)
Текущая самостоятельная работа по дисциплине «Катализ в технологии органических веществ», направленная на углубление и закрепление знаний студента, на
развитие практических умений, включает в себя следующие виды работ:
 работа с лекционным материалом;
 изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
 подготовка к практическим занятиям;
 подготовка к экзамену.
6.2. Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР)
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа по дисциплине
«Катализ в технологии органических веществ», направленная на развитие интеллектуальных умений, общекультурных и профессиональных компетенций, развитие
творческого мышления у студентов, включает в себя следующие виды работ по основным проблемам курса:
 поиск, анализ, структурирование информации по заданной теме;
 выполнение расчетных работ, обработка и анализ экспериментальных данных;
 анализ научных публикаций по определенной преподавателем теме.
6.3. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
Таблица 6 − Темы, выносимые на самостоятельную проработку
№ п/п
Тема
1
Электрофильный катализ органических реакций.
2
Гетерополикислоты  катализаторы кислотно-основных процессов органического синтеза.
3
Гетерополикислоты  катализаторы окислительно-восстановительных
процессов органического синтеза.
4
Ферментативный катализ в технологии органических веществ
5
Металлокомплексный катализ реакций синтеза высокомолекулярных соединений.
6
Фотоинициирование радикальных процессов органической технологии.
Аппаратурное оформление.
7
Иммобилизованные катализаторы.
8
Аппаратурное оформление гетерофазных каталитических процессов.
9
Аппаратурное оформление гетерогенно-каталитических процессов.
9
6.4. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух
форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателя.
Самоконтроль зависит от определенных качеств личности, ответственности за
результаты своего обучения, заинтересованности в положительной оценке своего
труда, материальных и моральных стимулов, от того насколько обучаемый
мотивирован в достижении наилучших результатов. Задача преподавателя состоит в
том, чтобы создать условия для выполнения самостоятельной работы (учебнометодическое обеспечение), правильно использовать различные стимулы для
реализации этой работы (рейтинговая система), повышать её значимость и грамотно
осуществлять контроль самостоятельной деятельности студента (фонд оценочных
средств).
6.5. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Для организации самостоятельной работы студентов (выполнения индивидуальных домашних заданий, самостоятельной проработки теоретического материала,
подготовки по лекционному материалу, контрольным работам) преподавателями кафедры разработаны следующие учебно-методические пособие:
Учебные пособие:
1.
Бочкарев В.В. Теория химико-технологических процессов органического синтеза. Гетерофазные и гетерогенно-каталитические реакции. Учеб.пособие. –
Томск: Изд-во ТПУ, 2005.–118 с.
Программное обеспечение и Internet-ресурсы:
1.
Специализированные программные пакеты: Aspen HYSYS, Pro/II 7.1, ChemCad 6.0.
2.
Программа «Реактор» моделирования сложных органических реакций в непрерывных реакторах.
Кроме того, для выполнения самостоятельной работы рекомендуется литература, перечень которой представлен в разделе 9, и научные работы сотрудников кафедры ТОВПМ.
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Средства (фонд оценочных средств) оценки текущей успеваемости и промежуточной аттестации студентов по итогам освоения дисциплины «Катализ в технологии
органических веществ» представляют собой комплект контролирующих материалов
следующих видов:
 Самостоятельные работы. Представляют собой задания для индивидуальной
самостоятельной работы. Проверяется знание теоретического лекционного материала, тем вынесенных на самостоятельную проработку.
 Вопросы к контрольным работам. Представляют перечень вопросов по основным разделам курса. Проверяется степень усвоения теоретических и практических знаний, приобретенных умений на репродуктивном и продуктивном уровне.
 Билеты для проведения итоговой аттестации.
10
Разработанные контролирующие материалы позволяют оценить степень усвоения теоретических и практических знаний, приобретенные умения и владение опытом на репродуктивном уровне, когнитивные умения на продуктивном уровне, и способствуют формированию профессиональных и общекультурных компетенций студентов.
Примеры контролирующих материалов приведены в Приложении А к рабочей
программе.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
В соответствии с рейтинговой системой текущий контроль производится ежемесячно в течение семестра путем балльной оценки качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы) и результатов практической деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем). Рейтинг-план текущей оценки
успеваемости студентов в семестре и рейтинг промежуточной аттестации студентов
по итогам освоения дисциплины «Катализ в технологии органических веществ» приведен в Приложении Б.
Промежуточная аттестация (экзамен) производится в конце семестра также путем балльной оценки. Итоговый рейтинг определяется суммированием баллов текущей оценки в течение семестра и баллов промежуточной аттестации в конце семестра по результатам экзамена. Максимальный итоговый рейтинг за семестр составляет
100.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
1.
2.
3.
4.
Основная литература
Чоркендорф И. Современный катализ и химическая кинетика: пер. с англ./ И. Чоркендорф, Х. Наймантсведрайт. – Долгопрудный: Интеллект, 2010. – 504 с.
Кравцов А.В. Теоретические основы каталитических процессов переработки
нефти и газа : учебное пособие / А. В. Кравцов, Е. Н. Ивашкина, Е. М. Юрьев;
Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ).
– Томск: Изд-во ТПУ, 2010. – 144 с.
де Векки А. В. Катализ. Теория и практика / А. В. де Векки. — СПб.: Профессионал, 2010. — 504 с.
Магарил Р.З. Теоретические основы химических процессов переработки нефти:
учебное пособие / Р. З. Магарил. – М.: КДУ, 2010. – 280 с.
Дополнительная литература
1. Потехин В.М., Потехин В.В. Основы теории химических процессов технологии
органических веществ и нефтепереработки. – СПб.: Химиздат, 2007. – 944 с.
2. Крылов О.В. Гетерогенный катализ: учебное пособие / О. В. Крылов. – М. : Академкнига, 2004. – 679 с.
3. Бочкарев В.В. Теория химико-технологических процессов органического синтеза.
Гетерофазные и гетерогенно-каталитические реакции. Учеб. пособие. – Томск:
Изд-во ТПУ, 2005.–118 с.
11
4. Байрамов В.М. Основы химической кинетики и катализа: учебное пособие / В. М.
Байрамов ; под ред. В. В. Лунина. – М.: Академия, 2003. – 253 с.
5. Байрамов В.М. Химическая кинетика и катализ: примеры и задачи с решениями:
учебное пособие / В. М. Байрамов. – М. : Академия, 2003. – 320 с.
6. Лебедев Н.Н., Манаков М.Н., Швец В.Ф. Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1984. – 376 с.
7. Межфазный катализ; Химия, катализаторы и применение: Пер. с англ. / Под ред.
Ч. М. Старкса. – М.: Химия, 1987. – 160 с.
8. Введение в гетерогенный катализ: Пер. с нем. / Г. В. Бремер, К.-П. Вендландт. –
М.: Мир, 1981.–160 с.
9. Катализ кислотами и основаниями / И. В. Кожевников. – Новосибирск: Изд-во
НГУ, 1991. – 123 с.
10. Катализаторы и каталитические процессы: Пер. с яп. / К. Танабе. – М.: Мир, 1993.
– 172 с.
11. Темкин О.Н. Гомогенный металлокомплексный катализ: кинетические аспекты /
О. Н. Темкин. – М.: Академкнига, 2008. – 918 с.
12. Металлокомплексный катализ в органическом синтезе: Алициклические соединения / У.М. Джемилев, Н.Р. Поподько, Е.В. Козлова. – М.: Химия, 1999. – 648 с.
13. Колесников И.М. Катализ и производство катализаторов / И. М. Колесников; Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина. – М. :
Техника, 2004. – 400 с.
14. Слинько М.Г. Основы и принципы математического моделирования каталитических процессов / М. Г. Слинько. – Новосибирск: Изд-во Института катализа СО
РАН, 2004. – 487 с.
15. Катализ в промышленности : в 2 т.: пер. с англ. / под ред. Б. Лича. – М. : Мир,
1986. Т. 1. – 1986. – 324 с. Т. 2. – 1986. – 291 с.
16. Metal Nanoclusters in Catalysis and Materials Science: The issue of size control / edited by B. Corain, G. Schmid, N. Toshima. – Amsterdam : Elsevier Ltd, 2008. – 458 p.
17. Leeuwen P. Homogeneous Catalysis. Understanding the Art / P. Leeuwen. – Dordrecht
: Kluwer Academic Publishers, 2004. – 407 p.
Литература ЭБС
1. Тюрин Ю.Н. Катализ в технологии органических веществ : учебное пособие /
Ю.Н.
Тюрин.
–
Кемерово:
КГТУ,
2010.
–
143
с.
URL:
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=6645
2. Магарил Р.З. Теоретические основы химических процессов переработки нефти:
учебное пособие / Р. З. Магарил. – М.: КДУ, 2010. – 280 с. URL:
https://tpu.bibliotech.ru/Reader/Book/7105
1.
2.
3.
4.
Программное обеспечение и Internet-ресурсы
Журнал
«Кинетика
и
катализ».
2001-2014
гг.
URL:
http://elibrary.ru/title_about.asp?id=7848.
Журнал «Катализ в промышленности» Catalysis in Industry. 2007-20014 гг. URL:
http://catalysis.kalvis.ru.
JeongYong Lee et. all. Metal-organic framework materials as catalysts. // Chem. Soc.
Rev. – 2009. – Vol. 38. – P. 1450-1459. URL: http://dx.doi.org/10.1039/B807080F.
Chandra M. R. Volla, Iuliana Atodiresei, Magnus Rueping. Catalytic C–C BondForming Multi-Component Cascade or Domino Reactions: Pushing the Boundaries of
12
Complexity in Asymmetric Organocatalysis. // Chem. Rev. – 2014. – Vol. 114 (4). P.
2390–2431. URL: http://dx.doi.org/10.1021/cr400215u.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Материально-техническое обеспечение дисциплины (технические средства, лабораторное оборудование и др.) представлено в табл. 7.
Таблица 7 − Материально-техническое обеспечение дисциплины
№
Наименование (компьютерные классы, учебные лаборатории,
п/п
оборудование)
1 Компьютерное и мультимедийное оборудование (компьютер,
сканер, принтер, мультимедийный проектор с интерактивной
доской) для проведения лекций с презентациями, для представления докладов студентов.
2 Учебная лаборатория, оснащенная лабораторными тягами,
учебно-исследовательскими стендами.
3 Учебная лаборатория, оснащенная компьютерами (15 шт.)
Аудитория
2 корпус,
116 ауд.
2 корпус,
109 ауд.
2 корпус,
109а ауд.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению 18.03.01 «Химическая технология», профилю подготовки «Химическая технология органических веществ». Программа одобрена на заседании кафедры, протокол № 67 от 12 февраля 2015 г.
Автор(ы):
Бочкарев В.В.
Рецензент(ы):
Волгина Т.Н.
13
Приложение А
А.1. Перечень вопросов и заданий к практическим занятиям, самостоятельной
работе студентов, экзамену
1. Исторические аспекты развития катализа и изучения каталитических процессов.
Понятия «катализ» и «катализаторы».
2. Кислотный катализ протонными кислотами (кислотами Бренстеда). Механизмы
катализа протонными кислотами: А1 и А2.
3. Механизм передачи хиральности в асимметрическом металлокомплексном катализе.
4. Классификация каталитических процессов по химической природе катализатора:
кислотно-основной катализ, металлокомплексный катализ, ферментативный катализ,
органокатализ.
5. Специфический и общий кислотно-основной катализ.
6. Механизм реакции гидрирования, катализируемой комплексами переходных металлов.
7. Корреляционные соотношения между константами кислотности (основности) и
константами скорости реакции для специфического и общего кислотно-основного
катализа.
8. Промоторы. Каталитические яды.
9. Стадии и механизм металлокомплексного катализа. Элементарные стадии: окислительное присоединение, реакции внедрения, альфа-, бета- и другие типы элиминирования, гаптотропные перегруппировки, реакции переноса электрона, восстановительное элиминирование, окислительное сочетание и восстановительное расщепление.
10. Принцип действия катализаторов. Скорость химических реакций. Энергетический
барьер. Энергетическая диаграмма каталитического процесса. Переходные состояния.
11. Кислотный катализ апротонными кислотами (электрофильный катализ). Суперкислоты Льюиса и комплексные суперкислоты.
12. Комплексы переходных металлов. Природа химической связи и координация молекул. Электронные и пространственные эффекты лигандов. Общее понятие о трансцис-влиянии и транс-эффекте. "сигма"-Донорные и "пи"-акцепторные свойства лигандов.
13. Виды катализа: гомогенный и гетерогенный катализ, гетерогенно-гомогенный катализ, мицеллярный катализ, межфазный, нанокатализ.
14. Основной катализ. Понятие. Основные типы основных катализаторов. Механизмы основного катализа: В1 и В2.
15. Три типа реакций замещения лигандов в комплексах переходных металлов: диссоциативный, ассоциативный, синхронный.
16. Нуклеофильный катализ. Механизм. Основные типы нуклеофильных катализаторов. Примеры каталитических реакций.
17. Механизм реакции гидроформилирования, катализируемой комплексами переходных металлов. Наиболее распространенные катализаторы гидроформилирования.
18. Практическое использование межфазного катализа в реакциях нуклеофильного
замещения (обмен галогенов, получение нитрилов, сложных эфиров, тиолов и сульфидов).
19. Механизм реакции гидросилилирования. Катализаторы Спайера и Карстеда.
14
20. Классификация гетерогенных катализаторов по принципу действия. Стадии гетерогенного катализа. Области протекания реакций. Адсорбция и хемосорбция реагентов при катализе. Десорбция.
21. Прикладные реакции, катализируемые кислотами и основаниями: алкилирование
и сульфирование ароматических углеводородов; этерификация; переэтерификация;
реакции по карбонильной группе.
22. Метатезис алкенов: основные типы каталитических реакций. Механизм реакции
метатезиса.
23. Механизм активации реагентов при гетерогенном катализе на переходных металлах и их оксидах (гидрирование и дегидрирование углеводородов).
24. Прикладные реакции, катализируемые кислотами и основаниями: реакции изомеризации углеродного скелета в ряду алициклических соединений (перегруппировка
Вагнера-Меервейна, перегруппировка Наметкина); пинаколиновая и ретропинаколиновая перегруппировки.
25. Вакер-процесс: понятие, механизм, использование в промышленности.
26. Механизм активации реагентов при гетерогенном катализе на переходных металлах и их оксидах (метатезис алкенов).
27. Прикладные реакции, катализируемые кислотами и основаниями: реакции изомеризации углеродного скелета в ряду предельных углеводородов.
28. Реакции кросс-сочетания, катализируемые комплексами переходных металлов.
Механизм реакции Хека. Типы используемых катализаторов.
29. Механизм активации реагентов при гетерогенном катализе на переходных металлах и их оксидах (окисление этилена в оксиран).
30. Механизм передачи хиральности в энантиоселективном металлокомплексном катализе. Наиболее распространенные хиральные лиганды в энантиоселективном катализе комплексами переходных металлов.
31. Реакции кросс-сочетания, катализируемые комплексами переходных металлов.
Механизм реакции Кумада. Типы используемых катализаторов.
32. Механизм активации реагентов при гетерогенном катализе на переходных металлах и их оксидах (окисление этилена в оксиран).
33. Механизм передачи хиральности в энантиоселективном металлокомплексном катализе. Наиболее распространенные хиральные лиганды в энантиоселективном катализе комплексами переходных металлов.
34. Реакции кросс-сочетания, катализируемые комплексами переходных металлов.
Механизм реакции Соногашира. Типы используемых катализаторов.
35. Гетерогенный кислотно-основной катализ. Природа кислотных и основных центров. Кислотные катализаторы и носители (оксид алюминия, силикагель и алюмосиликаты, соли металлов, твердые суперкислоты).
36. Понятие межфазного катализа. Типы межфазных катализаторов.
37. Реакции кросс-сочетания, катализируемые комплексами переходных металлов.
Механизм реакции Сузуки. Типы используемых катализаторов.
38. Гетерогенный кислотно-основной катализ. Природа кислотных и основных центров на поверхности оксидов алюминия и кремния, солей переходных металлов.
39. Механизм межфазного катализа «ониевыми» солями. Каталитический цикл
Старкса. Взаимосвязь строения межфазных катализаторов и их активности. Ряд липофильности катионов. Экстракционная способность анионов.
15
40. Димеризация и олигомеризация (циклоолигомеризация) непредельных соединений при катализе комплексами переходных металлов. Взаимосвязь между строением
металлокомплексных катализаторов и направлением реакции.
41. Цеолиты: методы получения, строение кристаллической решетки, каталитические
свойства.
42. Механизм межфазного катализа краун-эфирами.
43. Катализируемые комплексами переходных металлов реакции карбонилирования
спиртов и галогенпроизводных. Окислительное карбонилирование (синтез акриловой
кислоты и ее эфиров из этилена и оксида углерода). Гидрокарбоксилирование непредельных соединений.
44. Гетерогенные катализаторы основного характера (щелочные и щелочноземельные
металлы на носителях, оксиды металлов). Их применение в органическом синтезе.
45. Механизм активации молекулярного кислорода в координационной сфере переходных металлов. Эпоксидирование алкенов в присутствии катализаторов на основе
W, Mo, V, Ti.
46. Промышленные гетерогенно-каталитические процессы (гидрирование, дегидрирование, гидратация алкенов, синтезы на основе оксида углерода и водорода, окислительный аммонолиз пропилена, ацетоксилирование диенов, окислительное метилирование углеводородов, полимеризация). Примеры реакций и типы используемых
катализаторов.
47. Темплатный синтез: понятие, примеры (получение фталоцианиновых комплексов).
48. Прикладные кислотно-катализируемые реакции: перегруппировка Бекмана. Механизм.
49. Практическое использование межфазного катализа в реакциях С-алкилирования
активированных метиленовых групп.
50. Гетерогенный катализ переходными металлами и их соединениями: гидрирование
и дегидрирование углеводородов; гидрирование альдегидов, сложных эфиров, нитросоединений, нитрилов.
51. Катализ иммобилизованными катализаторами. Основные подходы к созданию
гетерогенных металлокомплексных катализаторов: адсорбция комплексов переходных металлов на носителе; ионное связывание комплексов переходных металлов с
носителем; пи-координация комплексов переходных металлов на носителе, играющем роль макролиганда; сигма-связывание комплексов переходных металлов с носителем за счет функциональных групп последнего; включение комплексов переходных металлов в гель. Гетерогенизация на минеральных носителях (кремнеземы, оксид алюминия, алюмосиликаты).
52. Реакции образования и присоединения дихлоркарбена в условиях межфазного катализа.
53. Понятие нанокатализа. Катализ на наночастицах металлов, нанооксидах. Полупроводниковые наночастицы, нанопроволоки и нанотрубки. Кластеры. Синтетические дендритные катализаторы. Гетерополисоединения.
54. Асимметрический катализ. Некоторые представления о механизме передачи хиральности. Примеры асимметрических реакций (гидрирование, гидросилилирование,
гидроборирование, гидроформилирование, гидроцианирование, арилирование олефинов).
А.2. Образец экзаменационного билета
16
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра технологии органических веществ и полимерных материалов
Направление 18.04.01 Химическая технология
Дисциплина Оптимизация химико-технологических процессов
Вид контроля Экзамен
Билет №7
1. Корреляционные соотношения между константами кислотности (основности) и константами скорости реакции для специфического и общего кислотно-основного катализа
2. Основной катализ. Понятие. Основные типы основных катализаторов.
Механизмы основного катализа
3. Механизм активации реагентов при гетерогенном катализе на переходных металлах и их оксидах (гидрирование и дегидрирование углеводородов)
Составил
Утверждаю:
зав. кафедрой
В.В. Бочкарев
М.С. Юсубов
2015 г.
17
Приложение Б
КАЛЕНДАРНЫЙ РЕЙТИНГ-ПЛАН ДИСЦИПЛИНЫ
ОЦЕНКИ
КАЛЕНДАРНЫЙ РЕЙТИНГ-ПЛАН по дисциплине
Лекции
33 час.
А+
96 - 100 баллов
Катализ в технологии органических веществ
Практ. занятия
11 час.
A
90 - 95 баллов
для студентов 4 курса института природных ресурсов по направлению 18.03.01 «Химическая технология»
Лаб. занятия
33 час.
В+
80 – 89 баллов
Всего ауд. работа
77 час.
B
70 – 79 баллов
СРС
139 час.
C+
65 – 69 баллов
ИТОГО
C
55 – 64 баллов
Весенний семестр 2019/2020 учебного года
Зачтено
D
55 - 100 баллов
Бочкарев Валерий Владимирович, доцент
Неудовл. / незачтено
F
0 - 54
«Отлино»
«Хорошо»
«Удовл.»
Промежуточный контроль
216 час.
6 кредита
Экзамен
Результаты обучения по дисциплине (сформулировать для конкретной дисциплины):
РД1
РД2
РД3
РД4
РД5
Применять инженерные знания по катализу химико-технологических процессов синтеза органических веществ для создания новых материалов и новых технологий их производства.
Применять глубокие знания в области катализа процессов синтеза органических веществ для решения междисциплинарных инженерных задач.
Ставить и решать инновационные задачи инженерного анализа, связанные с созданием материалов и изделий, с использованием системного анализа и моделирования объектов и процессов
химической технологии.
Разрабатывать химико-технологические процессы, проектировать и использовать новое оборудование, новые катализаторы и каталитические системы для создания материалов, конкурентоспособных на мировом рынке.
Самостоятельно учиться и непрерывно повышать квалификацию в течение всего периода профессиональной деятельности.
Для дисциплин с формой контроля - экзамен
Оценивающие мероприятия
Кол-во
Баллы
Контрольные работы
2
20
Защита лабораторной работы
Мероприятия конференц-недели:
4
40
Мероприятия текущего контроля
ИТОГО
60
18
1
Раздел 1. Основные понятия и определения
катализа органических реакций
РД1, РД2, Лекция 1. Исторические аспекты развития катализа
РД3, РД4, и изучения каталитических процессов. Понятия
РД5
«катализ» и «катализаторы». Принцип действия
катализаторов. Скорость химических реакций.
Энергетический барьер. Энергетическая диаграмма
ка-талитического процесса. Переходные состояния.
РД3, РД4, Лекция 3. Виды катализа: гомогенный и
РД5
гетерогенный катализ, гетерогенно-гомогенный
катализ, мицеллярный катализ, межфазный,
нанокатализ. Взаимосвязь механизмов
каталитических процессов для гомогенных и
гетерогенных катализаторов.
Лабораторная работа 1.
СРС
…
…
иум
Коллокв
ИДЗ
Защита
раб.
Контр.
по ЛР
отчета
Оценивающие мероприятия
Защита
Сам.
ление
Ауд.
Лекция 2. Классификация каталитических процессов
по химической природе катализатора: кислотноосновной катализ, металлокомплексный катализ,
ферментативный катализ, органокатализ.
Лабораторная работа 1.
Практическое занятие 1. Кинетика простых и
сложных реакций. М етоды определения порядков
реакций по экспериментальным данным
СРС
2
Кол-во часов
Выступ
Вид учебной деятельности по разделам
Реферат
дисциплине
Результат
обучения по
Неделя
1-2
Дата
начала
недели
Кол-во
баллов
Технология
проведения
занятия (ДОТ)*
Информационное обеспечение
Учебная
Интернет-
литература
ресурсы
0
ОСН 1, ОСНИР
34
2
1
0
ОСН 2
ПО 1
ОСН 4
ПО 1, ИР 3
ОСН 3
ОСН 4
ПО 1
ПО 1, ИР 3
2
4
2
4
2
2
4
0
2
4
0
4
4
4
0
0
19
Видео-ресурсы
3-6
3
4
5
6
7
РД1, РД2,
РД3, РД4,
РД5
РД3, РД4,
РД5
РД1, РД2,
РД3, РД4,
РД5
РД3, РД4,
РД5
РД4, РД5
Раздел 2. Кислотно-основной катализ
органических реакций
Лекция 4. Специфический и общий кислотноосновной катализ. Корреляционные соотношения
между константами кислотности (основности) и
константами скорости реакции для специфического
и общего кислотно-основного катализа.
Лекция 5. М еханизмы катализа протонными
кислотами. Кислотный катализ апротонными
кислотами (электрофильный катализ).
Лабораторная работа 1.
Практическое занятие 2. Зависимость констант
скорости от кислотности (основности)
используемого катализатора
СРС
Лекция 6. Основной катализ. Основные типы
основных катализаторов. М еханизмы основного
катализа. Нуклеофильный катализ. М еханизм.
Основные типы нуклеофильных катализаторов.
Лабораторная работа 2
СРС
Лекция 7. Прикладные реакции, катализируемые
кислотами и основаниями: алкилирование и
сульфирование ароматических углеводородов.
Лекция 8. Прикладные реакции, катализируемые
кислотами и основаниями: этерификация;
переэтерификация; реакции по карбонильной
группе.
Лабораторная работа 2
Практическое занятие 3. Практическое
использование уравнения Бренстеда при кислотноосновном катализе
СРС
Лекция 9. Прикладные реакции, катализируемые
кислотами и основаниями: реакции изомеризации
углеродного скелета в ряду предельных
углеводородов; изомеризация ароматических
углеводородов; перегруппировка Бекмана.
Лабораторная работа 2
СРС
Конференц-неделя 1
СРС
Всего по контрольной точке (аттестации) 1
ОСН 1, ОСНИР
34
2
4
0
2
4
0
2
2
2
1
4
4
0
0
ОСН 4
2
2
4
4
4
0
0
0
ДОП 4
ПО 1
ОСН 4
ПО 1, ИР 3
ОСН 1, ОСНИР
34
2
4
0
2
2
2
1
2
4
4
4
4
4
2
42
79
10
10
0
0
10
10
10
0
0
20
20
10
0
0
0
0
ОСН 3, ДОППО
4 1, ИР 2
ПО 1, ИР 3
ОСН 2, ОСНПО
4 1
0
0
ОСН 4
ПО 1
10
0
0
0
30
ОСН 2, ОСНПО
4 1
ОСН 4
ПО 1
8-10
8
9
10
Раздел 3. Металлокомплексный катализ
органических реакций
РД3, РД4, Лекция 10. Стадии и механизм металлокомплексного
РД5
катализа. Комплексы переходных металлов.
Природа химической связи и координация молекул.
Электронные и пространственные эффекты
лигандов.
Лекция 11. Общее понятие о транс-цис-влиянии и
транс-эффекте. «сигма»-Донорные и «пи»акцепторные свойства лигандов. Три типа реакций
замещения лигандов в комплексах переходных
металлов: диссоциативный, ассоциативный,
синхронный.
Лабораторная работа 3
Практическое занятие 4. Применение теории
графов для анализа сложных каталитических
СРС
РД3, РД4, Лекция 12. М еханизм реакции
РД5
гидроформилирования, катализируемой
комплексами переходных металлов. Наиболее
распространенные катализаторы
гидроформилирования.
Лабораторная работа 3
СРС
РД3, РД4, Лекция 13. Катализируемые комплексами
РД5
переходных металлов реакции карбонилирования
спиртов и галогенпроизводных. Окислительное
карбонилирование (синтез акриловой кислоты и ее
эфиров из этилена и оксида углерода). Гидрокарбоксилирование непредельных соединений.
Лекция 14. Реакции кросс-сочетания,
катализируемые комплексами переходных металлов.
М еханизм реакции Хека. М еханизм реакции
Сузуки. Типы используемых катализаторов.
Лабораторная работа 4
Практическое занятие 5. Применение теории
графов для анализа сложных гомогенных
каталитических процессов
СРС
ОСН 1, ОСНИР
34
2
4
0
2
4
0
2
2
2
1
2
4
0
0
0
0
ОСН 2, ОСНПО
4 1
ОСН 4
ПО 1
10
0
0
ОСН 2, ОСНПО
4 1
ОСН 4
ПО 1
ОСН 1, ОСНИР
34
2
4
2
4
2
4
2
4
2
2
2
1
10
0
0
10
4
21
10
ОСН 2, ОСНПО
4 1
0
ОСН 4
ПО 1
11-12
11
12
Раздел 3. Межфазный катализ органических
реакций
РД3, РД4, Лекция 15. Понятие межфазного катализа. Типы
РД5
межфазных катализаторов. М еханизм межфазного
катализа «ониевыми» солями. Каталитический цикл
Старкса.
Лабораторная работа 4
СРС
РД3, РД4, Лекция 16. Взаимосвязь строения межфазных
РД5
катализаторов и их активности. Ряд липофильности
катионов. Экстракционная способность анионов.
Лекция 17. Практическое использование
межфазного катализа в реакциях нуклеофильного
замещения (обмен галогенов, получение нитрилов,
сложных эфиров, тиолов и сульфидов); Салкилирования активированных метиленовых
групп.
Лабораторная работа 4
Практическое занятие 6. Применение теории
графов для анализа сложных гетерогенных
каталитических процессов
СРС
Всего по контрольной точке (аттестации) 2
Экзамен
Общий объем работы по дисциплине
0
2
4
0
4
4
2
0
0
ОСН 2, ОСНПО
4 1
ОСН 4
ПО 1
2
4
0
ОСН 1, ОСНИР
34
2
4
0
2
1
2
10
10
0
ОСН 2, ОСНПО
4 1
ОСН 4
35
2
60
0
0
20
10
0
0
0
0
0
30
40
77
139
0
0
40
20
0
0
0
0
100
ПО 1
* заполняется только в тех случаях, когда обучение осуществляется с использованием дистанционных образовательных технологий (ДОТ)
Информационное обеспечение:
№ (код)
ОСН 1
ОСН 2
ОСН 3
ОСН 4
Основная учебная литература (ОСН)
Чоркендорф И. Современный катализ и химическая кинетика: пер. с
англ./ И. Чоркендорф, Х. Наймантсведрайт. – Долгопрудный: Интеллект, 2010. – 504 с.
Кравцов А.В. Теоретические основы каталитических процессов переработки нефти и газа: учебное пособие / А. В. Кравцов, Е. Н. Ивашкина,
Е. М. Юрьев; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). – Томск: Изд-во ТПУ, 2010. – 144 с.
де Векки А. В. Катализ. Теория и практика / А. В. де Векки. – СПб.:
Профессионал, 2010. – 504 с.
Магарил Р.З. Теоретические основы химических процессов переработки нефти: учебное пособие / Р. З. Магарил. – М.: КДУ, 2010. – 280 с.
№ (код)
ЭБС-1
ЭБС-2
№ (код)
ПО 1
ПО 2
№ (код)
Дополнительная учебная литература (ДОП)
ПО 3
22
Литература ЭБС
Тюрин Ю.Н. Катализ в технологии органических веществ: учебное пособие / Ю.Н.
Тюрин. – Кемерово: КГТУ, 2010. – 143 с.
Магарил Р.З. Теоретические основы химических процессов переработки нефти:
учебное пособие / Р. З. Магарил. – М.:
КДУ, 2010. – 280 с.
Название интернет-ресурса (ИР), программного обеспечения (ПО)
Aspen HYSYS V7.3
Адрес ресурса
URL:
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=6645
Программа «Реактор» моделирования
сложных реакций в непрерывных реакторах
Mathcad 14
Сайт ТПУ URL:
http://portal.tpu.ru/SHARED/w/WALERY-WB/instr_work/Optimization/Tab/reactor.exe
Сайт ТПУ URL: http://vap.tpu.ru
URL: https://tpu.bibliotech.ru/Reader/Book/7105
Адрес ресурса
Сайт ТПУ URL: http://vap.tpu.ru
ДОП 1
ДОП 2
ДОП 3
ДОП 4
ДОП 5
Потехин В.М., Потехин В.В. Основы теории химических процессов
технологии органических веществ и нефтепереработки. – СПб.: Химиздат, 2007. – 944 с.
Крылов О.В. Гетерогенный катализ: учебное пособие / О. В. Крылов. –
М. : Академкнига, 2004. – 679 с.
Бочкарев В.В. Теория химико-технологических процессов органического синтеза. Гетерофазные и гетерогенно-каталитические реакции.
Учеб.пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005.–118 с.
Байрамов В.М. Основы химической кинетики и катализа: учебное пособие / В. М. Байрамов ; под ред. В. В. Лунина. – М.: Академия, 2003. –
253 с.
Байрамов В.М. Химическая кинетика и катализ: примеры и задачи с
решениями: учебное пособие / В. М. Байрамов. – М. : Академия, 2003. –
320 с.
ПО 4
PascalABC.NET 1.8
Компьютеры ауд. 109а 2 уч. к.
ИР 1
Журнал «Кинетика и катализ». 2001-2014
гг.
Журнал «Катализ в промышленности»
Catalysis in Industry. 2007-2014 гг.
URL: http://elibrary.ru/title_about.asp?id=7848
Видеоресурсы (ВР)
Адрес ресурса
ИР 2
№ (код)
ВР 1
23
URL: http://catalysis.kalvis.ru.
24